一种振动能量回收接口电路及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种振动能量回收接口电路，用于从随振源振动的压电元件中提取电能供负载使用，属于节能【技术领域】。本发明振动能量回收接口电路中，压电元件与一个开关、一个电感以及倍压整流电路依次串联连接，再与升压降压转换器、外接负载并联连接。相比现有技术，本发明的接口电路具有与SECE接口电路相似的能量回收功率与负载无关的特性，但同时能量回收功率又大于SECE接口电路；其次，本发明的接口电路将现有的全波整流方式变成了倍压整流方式，降低了接口电路的整体功耗。
【专利说明】一种振动能量回收接口电路及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种振动能量回收接口电路，用于从随振源振动的压电元件中提取电 能供负载使用，属于节能【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 将无线微型传感器网络节点嵌入到机器或结构中，对它们的运行状态进行实时监 测，可应用于飞机、船舶、车辆、建筑物、桥梁和工业设备等的安全及运行状态监控。目前，大 部分无线传感器是采用电池供电的，运行一个节点数量较大的无线传感器网络就需要更换 大量的电池，一方面使用成本高，另一方面大量的废弃电池对环境也会造成一定的污染。所 以，开展新的无线供能技术的研究己成为当务之急。
[0003] 基于压电效应的振动能量回收系统是将自然界广泛存在的机械振动能通过压电 片转换为电能，该能量回收系统具有输出功率大、对电子器件不产生电磁干扰、体积小、 易于器件的小型化等优点。目前，基于压电效应的能量回收系统的研究工作在国内外均 处于探索阶段，尚有大量的理论和试验问题需要解决，高效实用的能量回收接口电路在 目前的专利和文献中也较少，常见的接口电路有标准接口、SECE (Synchronous Electric Charge Extraction，同步电荷提取）接口、Parallel-SSHI (Parallel-Synchronous Switch Harvesting Inductor，并联同步开关电感）接口、Series-SSHI (Series-Synchronous Switch Harvesting Inductor,串联同步开关电感）接口。标准接口电路简单且易于实现， 但回收功率低并且会随负载变化而变化；SECE接口电路的回收功率在理论上是标准接口 的四倍且不会随负载变化；Parallel-SSH和Series-SSHI接口电路的回收功率较SECE接 口更大，但会随负载的变化而变化。这些接口电路尚远远不能满足能量回收系统的需要，仍 然需要不断研究和开发高效实用的接口电路。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种压电式的振动能量 回收接口电路，能量回收功率不会随负载变化而变化，且具有更高的能量回收功率。
[0005] 本发明的振动能量回收接口电路，用于从随振源振动的压电元件中提取电能供负 载使用，该接口电路包括：第一开关、第二开关、第一电感、第二电感、第一中间电容、第二中 间电容、滤波电容、第一?第三二极管，以及两个输入端和两个输出端，第一中间电容与第 二中间电容的电容值相同；第一二极管、第一中间电容、第二中间电容、第二二极管依次首 尾相连构成一个环路，且第一二极管与第二二极管在该环路中的方向相同；第一二级管与 第二二极管之间的结点依次串联第一电感、第一开关后与一个输入端连接，第一中间电容 与第二中间电容之间的结点与另一个输入端连接，第一二极管与第一电容之间的结点、第 二电感的其中一端、滤波电容的一端与一个输出端共连接，第二二极管与第二中间电容之 间的结点和第二电感另外一端通过第二开关连接，滤波电容的另一端与另外一个输出端通 过公共结点连接，第三二极管连接于公共结点和第二电感另外一端之间且其方向与第二二 极管的方向相反。
[0006] 优选地，所述第一电感的电感值满足以下条件：由第一电感、所述压电元件的受夹 电容、第一中间电容/第二中间电容串联构成的IX振荡电路的振荡周期小于所述振源振动 周期的二十分之一。
[0007] 优选地，所述第一中间电容和第二中间电容的电容值C满足以下条件：
[0008] C = (3 r〇)C。， 2-2f0
[0009] 其中，Q为所述压电元件的受夹电容值，Y(l为由第一电感、所述压电元件的受夹 电容、第一中间电容/第二中间电容串联构成的IX振荡电路的翻转系数。
[0010] 优选地，所述滤波电容的电容值与所述负载的等效电阻值的乘积大于所述振源振 动周期的五倍。
[0011] 如上所述振动能量回收接口电路的控制方法，在每个振动周期中按照以下方式控 制第一开关和第二开关的开关状态：当所述压电元件的振动位移达到最大值时，令第一开 关导通，第二开关关断；当通过第一中间电容的电流降为0时，令第一开关关断，第二开关 导通；当通过第二电感的电流达到最大值时，令第一开关关断，第二开关关断；当所述压电 元件的振动位移达到负的最大值时，令第一开关导通，第二开关关断；当通过第二中间电容 的电流降为0时，令第一开关关断，第二开关导通；当通过第二电感的电流达到最大值时， 令第一开关关断，第二开关关断。
[0012] 本发明提出了一种全新的压电式能量回收接口电路拓扑结构，由于其采用双中间 电容的倍压整流，因此可称之为双中间电容（Double Intermediate Capacitor Harvesting Interface，简称DICH)接口电路。本发明的DICH接口电路相比现有技术具有以下有益效 果：
[0013] 首先，本发明的DICH接口电路具有与SECE接口电路相似的能量回收功率与负载 无关的特性，但同时能量回收功率又大于SECE接口电路；
[0014] 其次，本发明的DICH接口电路将现有的全波整流方式变成了倍压整流方式，降低 了接口电路的整体功耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是DICH接口电路原理图；
[0016] 图2是DICH接口电路的压电片两端、中间电容两端电压和各阶段电流波形图；图 中u为机械振动位移，V ra为压电片两端的电压，L为第⑴阶段电路的电流，Va、为中 间电容Ci、C2两端的电压，1 2、13分别为第⑵和第（3)阶段电路的电流；
[0017] 图3是恒定激振位移情况下，标准接口、SECE、串联-SSHI、并联-SSHI和DICH接 口电路的回收功率P与负载R间的理论关系图；
[0018] 图4是DICH接口电路的仿真电路图；
[0019] 图5是运用电子仿真软件Multisim得到的标准接口、SECE接口、串联-SSHI接口、 并联-SSHI接口和DICH接口电路回收功率P与负载R关系的仿真结果。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
[0021] 图1显示了本发明的DICH接口电路的基本拓扑结构，如图所示，该接口电路包括： 开关Sp S2，电感Lp L2，二极管0^ D2，中间电容Cp C2，续流二极管D3、滤波电容Cr，图中的 CpR分别表示压电片和外接负载。从图中可以看出，二极管01、仏和中间电容组成了 一个倍压整流电路，电感L 2、开关S2、续流二极管D3、滤波电容Cr组成了升压降压转换器；压 电片Q、开关Si、电感U与倍压整流电路串联连接，再与升压降压转换器、外接负载R并联 连接。其中，中间电容Ci、C 2的电容值大小相同。二极管Di、D2#及续流二极管03的方向也 可以整体反向，效果不变。
[0022] 在每个振动周期中按照以下方式控制开关Si和S2的开关状态：当压电片Q的振 动位移达到最大值时，令开关Si导通，开关S 2关断；当通过中间电容q的电流降为0时，令 开关Si关断，开关S2导通；当通过电感L 2的电流达到最大值时，令开关Si关断，开关S2关 断；当压电片Q的振动位移达到负的最大值时，令开关Si导通，开关S 2关断；当通过中间电 容C2的电流降为0时，令开关Si关断，开关S2导通；当通过电感L 2的电流达到最大值时， 令开关Si关断，开关S2关断。
[0023] 上述DICH接口电路中的开关Si和S2应尽量选用响应速度快、低导通电阻的电子 开关。电感1^、1^应尽可能选用高品质因子电感，为了使电压尽快的翻转，增大压电片两端 的开路电压，从而得到较大的回收功率，其中电感U的参数优选使得振荡电路的振荡 周期小于机械振动周期的1/20的电感。为了保证滤波后的电压足够平稳，滤波电容Cr的 电容值最好满足R(；>5T这一条件，其中T为机械振动周期。
[0024] 图2显示了本发明的DICH接口电路在每个机械振动周期内压电片两端、中间电容 两端电压和各阶段电流波形，从图中可看出DICH接口电路在每个机械振动周期内完成两 次能量回收，每次能量回收可分为能量提取、能量转移、能量存储和电路开路四个阶段，在 机械振动位移最大值变化到最小值这半个周期中包含能量提取、能量转移、能量存储和电 路开路四个阶段，下面对其进行详细分析：
[0025] (1)能量提取阶段：在、时刻，机械振动位移u达到最大值UM，此时压电片两端电 压达到最大值V M，开关Si闭合，存储在压电片上的电能经电感U和二极管Di转移到中间电 容Q上，当Q上面电荷量最大和电流L = 0时，开关Si断开，开关S2闭合。
[0026] 当开关Si闭合，压电片、电感U和电容Q组成了 一个振荡电路一UQA振荡电路，
[0027] 根据基尔霍夫电压定律得：
【权利要求】
1. 一种振动能量回收接口电路，用于从随振源振动的压电元件中提取电能供负载使 用，其特征在于，该接口电路包括：第一开关、第二开关、第一电感、第二电感、第一中间电 容、第二中间电容、滤波电容、第一?第三二极管，以及两个输入端和两个输出端，第一中 间电容与第二中间电容的电容值相同；第一二极管、第一中间电容、第二中间电容、第二二 极管依次首尾相连构成一个环路，且第一二极管与第二二极管在该环路中的方向相同；第 一二级管与第二二极管之间的结点依次串联第一电感、第一开关后与一个输入端连接，第 一中间电容与第二中间电容之间的结点与另一个输入端连接，第一二极管与第一电容之间 的结点、第二电感其中一端、滤波电容的一端与一个输出端共连接，第二二极管与第二中间 电容之间的结点和第二电感的另外一端通过第二开关连接，滤波电容的另一端与另外一个 输出端通过公共结点连接，第三二极管连接于公共结点和第二电感的另外一端之间且其方 向与第二二极管的方向相反。
2. 如权利要求1所述振动能量回收接口电路，其特征在于，所述第一电感的电感值满 足以下条件：由第一电感、所述压电元件的受夹电容、第一中间电容/第二中间电容串联构 成的LC振荡电路的振荡周期小于所述振源振动周期的二十分之一。
3. 如权利要求1所述振动能量回收接口电路，其特征在于，所述第一中间电容和第二 中间电容的电容值C满足以下条件： c_(3-r〇)c0， 2-2? ' 其中，C。为所述压电元件的受夹电容值，？?为由第一电感、所述压电元件的受夹电容、 第一中间电容/第二中间电容串联构成的LC振荡电路的翻转系数。
4. 如权利要求1所述振动能量回收接口电路，其特征在于，所述滤波电容的电容值与 所述负载的等效电阻值的乘积大于所述振源振动周期的五倍。
5. 如权利要求1?4任一项所述振动能量回收接口电路的控制方法，其特征在于，在 每个振动周期中按照以下方式控制第一开关和第二开关的开关状态：当所述压电元件的振 动位移达到最大值时，令第一开关导通，第二开关关断；当通过第一中间电容的电流降为0 时，令第一开关关断，第二开关导通；当通过第二电感的电流达到最大值时，令第一开关关 断，第二开关关断；当所述压电元件的振动位移达到负的最大值时，令第一开关导通，第二 开关关断；当通过第二中间电容的电流降为〇时，令第一开关关断，第二开关导通；当通过 第二电感的电流达到最大值时，令第一开关关断，第二开关关断。
【文档编号】H02M3/155GK104124879SQ201410310970
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月1日 优先权日:2014年7月1日
【发明者】王宏涛, 张宝强, 孟莹梅, 卫海霞 申请人:南京航空航天大学